最近，來自美國哈佛大學維斯生物啟發(fā)工程研究所和約翰·保爾森工程和應用科學學院的研究團隊創(chuàng)造出一種高度靈敏的柔性電容傳感器。它由硅膠和織物組成，能夠隨著人體運動和彎曲，準確自如地監(jiān)測人體運動情況。

如今，從心率監(jiān)測器到虛擬現(xiàn)實頭盔，各式各樣的可穿戴技術產(chǎn)品在消費電子市場和研究領域，都呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長和流行的趨勢。

然而，為了檢測和傳輸數(shù)據(jù)，這些可穿戴設備所用的大部分電子傳感器都是由堅硬、不可彎曲的材料制成，這樣不僅使得佩戴者的自然運動受限，而且影響到采集數(shù)據(jù)的精度。

創(chuàng)新

最近，來自哈佛大學維斯生物啟發(fā)工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ）和約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）的研究人員組成的團隊創(chuàng)造出一種高度靈敏的柔性電容傳感器，它由硅膠和織物組成，能夠隨著人體運動和彎曲，準確自如地檢測人體運動情況。

這項研究的論文發(fā)表于最新一期的《高級材料技術》雜志，且該協(xié)議成為了哈佛生物設計實驗室柔性機器人工具包的一部分。

技術組成

電容傳感器由一層硅膠薄片（一種導電性很差的材料組成），像三明治一般夾在兩層鍍銀的、導電織物（一種高度導電的材料）之間形成。

原理

這種傳感器通過測量電容的變化來記錄人體運動。所謂電容，也就是容納電荷的本領，也指兩個電極之間的電場。

維斯研究所的研究工程師、論文的合著者之一 Daniel Vogt 稱：

“當我們在傳感器的一端拉拽傳感器，施加張力時，硅膠層會變薄，導電織物層會靠的更近，這樣就以一種與施加的張力成比例的方式，改變了傳感器的電容。所以，我們能夠測量到傳感器的形狀改變了多少。”

工藝

這種混合傳感器的優(yōu)越性能來源于它的新型制造工藝。通過這種制造工藝，織物通過另外一層的液態(tài)硅膠，連接于硅膠核心的兩端。這種方法讓硅膠可以填滿織物中的空氣間隙，機械地將它鎖在硅膠上，從而增加了用來分散張力和存儲電容的表面區(qū)域。

這種硅膠與織物的混合物，通過充分利用這兩種材料的特性，提高了對于運動的靈敏度。在拉升時，這種強韌、連鎖的織物纖維能夠幫助硅膠限制其形變的程度；而當拉力撤銷時，硅膠則可以幫助織物恢復其原有的形狀。最后，柔軟的細線通過熱封膠帶，永遠連接著這種導電織物，讓來自傳感器的電氣信息無需又硬又笨重的接口，就可以傳輸?shù)诫娐飞稀?/p>

實驗

團隊通過進行張力實驗，評估了他們設計的這種新型傳感器。在實驗中，當傳感器被機電測試裝置拉伸時，研究人員進行了各種測量。一般來說，當彈性材料被拉伸的時候，其長度增加，而厚度和寬度減少，所以材料的總面積不變，也就是它的電容保持不變。出人意料的是，研究人員發(fā)現(xiàn)傳感器受到拉伸時，導電面積增加，電容從而比期望的更大。論文的首作者、維斯研究所的博士后研究員 Asli Atalay 稱：

“基于硅膠的電容傳感器由于材料的天然特性，其靈敏度有限。然而，將硅膠嵌入到導電織物中后，創(chuàng)造出一個基質，它能夠防止硅膠橫向地縮小，這樣就將靈敏度提高到我們測試的裸露硅膠之上。”

這種混合物傳感器能夠在張力應用30毫秒之內和物理改變小于半毫米的情況下，測量出電容的增加，有效地捕捉到人體運動。為了在現(xiàn)實世界中測試這項能力，研究人員將它們整合到一個手套中，實時測量比較精細的手部和手指運動。當手指移動的時候，傳感器可以成功地檢測出電容的變化，指示出它們的相對位置隨著時間的變化。

SEAS 生物設計實驗室的研究生、論文的合著者之一 Vanessa Sanchez 解釋道：

“我們的傳感器更高的靈敏度，意味著它具有區(qū)分更細微運動的能力，例如從一端到另外一端，輕微地移動手指，而不是簡單地張開整個手或者握緊拳頭。”

價值

對于這項創(chuàng)新研究的價值，我們來看看專家們怎么說。

論文的作者、維斯研究所的核心教員、SEAS 工程和應用科學副教授 John L. Loeb 稱：

“對于這個傳感器，我們感到非常興奮。因為它由紡織品制成，所以天生就非常適合集成到織物中，成為‘智能’機器人服裝。”

論文的合著者之一、維斯研究所的博士后研究員 Ozgur Atalay 稱：

“另外，我們已經(jīng)設計出一種統(tǒng)一的批量生產(chǎn)工藝，讓我們能夠創(chuàng)造出定制形狀的傳感器，共享統(tǒng)一的特性，并且可以根據(jù)給定的應用進行快速制造。”

雖然這項研究還處于概念驗證階段，但是團隊對于這項技術未來的發(fā)展方向感到充滿信心。Walsh 說：

“這項研究代表，我們對于在機器人系統(tǒng)中利用織物技術的興趣日益增長，并且我們看到‘在戶外環(huán)境中’捕捉運動的廣闊前景，例如可監(jiān)測身體活動能力的運動服，或者在家中監(jiān)測病人的柔性醫(yī)療設備。另外，這些傳感器與基于織物的柔性制動器相結合，能讓新型機器人系統(tǒng)真正地模仿服裝。”